密级：
科学技术学院
NANCHANG UNIVERSITY COLLEGE OF
SCIENCE AND TECHNOLOGY
学 士 学 位 论 文
THESIS OF BACHELOR
（2012 — 2016年）
题 目 基于MATLAB 的静止同步补偿器仿真
学 科 部： 信息学科部
专 业： 电气工程及其自动化
班 级： 电气122班
学 号：
学生姓名： 胡曙斌
指导教师： 万旻
起讫日期：2015年12月 — 2016年5月29日
南昌大学 科学技术学院
学士学位论文原创性申明
本人郑重申明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。
作者签名： 日期：
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作者签名： 日期：
导师签名： 日期：
基于MATLAB 的静止同步补偿器仿真
专业：电气工程及其自动化 学号：[1**********] 学生姓名：胡曙斌 指导教师：万旻
摘要：现如今，随着当代社会的进步，我国有了越来越多的大规模电网远距离传输线路，这些远距离传输线路虽然满足了人们的需求，但是同时也带来了一些安全隐患。线路的电压稳定性与线路的无功功率直接相关。而静止同步补偿器（STATCOM ）能够快速、有效的补偿系统中的无功功率，并且具有良好的调节特性，现在已成为当今世界研究的重点。本文主要是对基于MATLAB 的静止同步补偿器的仿真进行研究。
本文介绍了静止同步补偿器的工作原理、 基本结构及其在提高电能质量中的作用。借助MA TLAB/SIMULINK的电力模块搭建500kV 配电系统及补偿器电路。并利用其构建补偿装置主电路电压逆变器模块, 并搭建了仿真电路。通过电网电压波动和负载冲击，在这两种情况下对电路进行仿真分析，结果表明，该补偿器达到了预期的补偿效果，有效的抑制了高次谐波，显著提高了电能质量。
关键词：静止同步补偿器, MATLAB 仿真, 数学建模, 无功功率, 电能质量
Simulation of static synchronous compensator based on
MATLAB
ABSTRACT ： Now, with the progress of modern society, our country has a growing number of large-scale long-distance power grid transmission lines, although these long-distance transmission lines to meet the people's needs, but it also brings some security risks. Voltage stability is directly related to the line and reactive power lines. The static synchronous compensator (STATCOM) can quickly and effective compensation system reactive power, and has good regulation characteristics, has now become the world focus of the study. This article is based on MA TLAB STA TCOM simulation study.
This paper Introduction the STATCOM operating principle, the basic structure and its role in improving power quality. With MA TLAB / SIMULINK to build a 500kV power distribution system module and compensation circuitry. And compensating means used in the construction of the main circuit voltage inverter module, and set up the simulation circuit. By voltage fluctuations and load shocks, in both cases the circuit simulation results show that the compensator to achieve the desired compensation effect, effectively suppresses the higher harmonics, significantly improved power quality.
Keywords: STATCOM ，MATLAB simulation， mathematical modeling，reactive power，power quality
目 录
摘要 ................................................................................................................................................... I ABSTRACT . .................................................................................................................................... II
第1章 绪论 . .................................................................................................................................. 1
1.1 课题的研究背景及意义 . ................................................................................................... 1
1.2 国内外研究现状及发展趋势 . ........................................................................................... 1
1.3 无功功率的产生和危害 . ................................................................................................... 2
第2章 静止同步补偿器的工作原理 . ............................................................................................ 4
2.1 静止同步补偿器工作原理 . ............................................................................................... 4
2.1 静止同步补偿器的基本结构 . ........................................................................................... 4
第3章 静止同步补偿器的建模 . .................................................................................................... 6
3.1 静止同步补偿器的数学模型 . ........................................................................................... 6
3.2 静止同步补偿器的作用 . ................................................................................................... 6
3.3 500kV 配电系统的设计 . ................................................................................................... 7
第4章 静止同步补偿器的仿真研究 . ............................................................................................ 8
4.1 仿真软件MATLAB/SIMULINK简介 . ............................................................................ 8
4.1.1 仿真软件MA TLAB/SIMULINK的概括 . ............................................................. 8
4.1.2仿真软件MATLAB/SIMULINK的主要功能 . ...................................................... 9
4.2 静止同步补偿器的仿真 . ................................................................................................. 10
4.2.1 静止同步补偿器仿真的主接线 . .......................................................................... 10
4.2.2 仿真波形及结果分析 . .......................................................................................... 11
第5章 结论与展望 . ...................................................................................................................... 15
5.1 结论 . ................................................................................................................................. 15
5.1 展望 . ................................................................................................................................. 15
致 谢 ............................................................................................................................................ 16
参考文献......................................................................................................................................... 17
第1章 绪论
1.1 课题的研究背景及意义
随着我国经济的发展，一次能源的消耗与日俱增，而我国一次能源的地理位置分布又不均匀，所以国家决定实行全国联网和西电东送。随着我国电力行业的发展，我们已经取得了很大的进步，从2013年开始，我国电力部门计划实现全国联网，虽然各大区域电力系统的并网给我国带来了显著的经济效益，但还是面临着以下问题：
（1）我国的煤炭资源和水力资源地理位置分布不均匀，主要集中在我国的西部地区，国家为了给东部地区提供足够的电力需求，提出了“西电东输”的国策，就是通过远距离输电将大量的电能输送到东部地区，像国家首都北京、经济发达的上海和广东等地区。我国每年输送的功率达到1.2-1.5亿KW ，为了输送这么巨大的电能，我们就需要建设多条远距离输电线路。因为我国的地理环境比较复杂，架设这些输电线路的造价非常昂贵，所以就必须尽可能的减少线路的输送容量和线路损耗。而线路的输送容量和损耗主要受电压稳定性和热稳定性的影响。所以我们要减少输送容量就必须控制好电压稳定性和热稳定性，让我们架设的线路得到得到充分的利用，提高我们的经济效益。
（2）导致功率分布不均匀，引起两端设备严重过负荷，其他线路发生轻载现象，不但使现有设备得不到充分利用而且还会引发一系列的稳定性问题；使电压质量变差，系统无功功率分配不均匀；使整个系统的有功功率损耗增加，系统运行不经济而且不稳定。
无功补偿的优点主要有以下三点:
(1)增强供电质量。为了增强系统的稳定性和传输能力，我们需要设置动态无功补偿装置在合适的地方；
(2)降低系统的设备容量，降低系统的功率损耗，可以提高系统的功率因数;
(3)当三相负载不平衡时，我们可以适当的利用无功补偿来平衡三相负载的有功和无功。
综上所述，可以看出STATCOM 拥有这么多的优点, 所以它作为一种新型的无功调节装置，现在已经成为电力行业研究的热点话题。也是本课题研究的重点对象。
1.2 国内外研究现状及发展趋势
（一）STATCOM 的研究现状
随着世界的发展，人们早就会利用电力电子变流器进行无功控制，但是因为当时电力电子器件的耐压和功率水平有限，无法生产出具有实用价值的输电系统装置。直到门极可关断晶闸管GTO 的出现，才有力的推动了STATCOM 的发展和应用。STATCOM 同可控电抗器和电容器的静止无功补偿器SVC 相比，具有极大的性能优势，已经得到越来越多的关注，新一代的无功电压控制设备必将取代SVC 。STATCOM 的应用工程通常具有以下特点：基本采用VSC ；系统控制目标多样化；在电力半导体器件选用上，大多数选用GTO 和IGBT ；大容量STATCOM 大多数都采用水冷方式。
到目前为止，世界上已有多台STATCOM 投入运行，但是实际上在90 年代后才大规模投放市场，国际上主要投入运行的国家有：1991年日本投入运行的80 Mvar的STATCOM ；1995年美国投入运行的100 Mvar 的STATCOM ；1997年丹麦投入运行的8 Mvar 的STATCOM 。由于STATCOM 技术含量较高，国际上只有美国、日本、德国、中国、英国等少数几个发达国家掌握了STATCOM 的研发技术。我国第一台20 Mvar 的STATCOM 装置是由清华大学与河南省供电局共同研发生产的，这台20Mvar 的 STATCOM 装置于1999年3月在河南洛阳朝阳变电站投入运行，它的成功运行标志着我国STATCOM 技术得到显著发展，成为世界上第四个拥有STATCOM 制造技术的国家，使我国进入了一个新的阶段。让我国的科技水平更进一步。
（二）STATCOM 的发展趋势
随着世界的发展，国际上有关STA TCOM 的研究和发展已经有了很大的进步，根据最近几年的发展状况可以看出STA TCOM 的发展趋势越来越好，主要表现在以下几个方面:
(1)装置的容量越来越大，例如：对100Mvar-200Mvar 的STA TCOM 进行研究。
鉴于开关元器件IGBT ，IGCT 等的容量有限，为了提高500kV 开关站的电压调节能力，对STATCOM 装置的容量要求越来越大，所以我们就要对大容量的STATCOM 装置进行进一步的研究。
(2) 对故障状态下的STA TCOM 进行研究和一些保护措施进行进一步的研究。
一般而言，我们要求系统在发生故障或者一些其他异常情况下仍可以安全可靠地运行。这样就可以提高系统的稳定性，充分发挥它的作用。但是一旦系统电压幅值、相位发生突变时，STATCOM 可能又会出现过电流。目前一般采用的措施是系统会立马自动封锁脉冲信号，等所有的系统电压趋于稳定状态之后再让其重新运行。为了减少系统故障的发生，我们就需要对STATCOM 在故障状态下发生的问题进行更加系统地研究。除此之外，我们还需要找出一些有力的保护措施，让系统运行更加稳定，所以目前我们还需要对STATCOM 的保护措施进行进一步的研究和开发。
(3) 对STATCOM 装置的装设地点优化改善。
目前，随着物价的飞速上涨，STATCOM 装置的投资建设费用也越来越高，为了减少投资，提高经济效益，并且又不影响STA TCOM 装置的使用，让其在系统中能够得到充分的利用，所以我们就需要对STA TCOM 装置的装设地点进行优化和进一步的改善。
1.3 无功功率的产生和危害
所谓的无功功率，相对来说是比较抽象的，它是在电气设备中建立磁场和维持磁场的电功率。只要是有电磁线圈的设备，就要建立磁场，所以就会消耗无功功率。之所以叫“无功”，是因为无功功率对外不做功，而是转变为其他形式能。无功功率的符号用Q 表示，单位为乏(Var ) 。
虽然它对外不做功，但还是有一些危害，无功功率的危害主要表现如下：
（1）降低输、变电设备的供电能力。
（2）降低发电机有功功率的输出。
（3）造成电能损耗的增加以及线路电压损失的增大。
（4）造成电压降低和系统低功率因数运行。
第2章 静止同步补偿器的工作原理
2.1 静止同步补偿器工作原理
静止同步补偿器（STA TCOM ）是一种利用可关断电力电子器件IGBT 、GTO 等元件进行无功补偿的装置，普遍应用于工业生产中。主电路主要是由两大元器件组成，分别为电压型逆变器和并联直流电容器。它工作的时候可以看成是一个电压型逆变器，其主电路结构如图1所示：
图1 STATCOM 主电路结构图
通过交流电抗器使自换相桥式电路在电网上实现并联，然后再调节输出电流或者输出电压，从而控制补偿器吸收的电流，从而达到无功补偿的目的。当我们考虑基波频率时，动态无功补偿器与相位可控的交流电压源可以视为等效。连接电抗器和变流器本身就有一定的损耗，通过调节电压的幅值和相位，就可以改变补偿器吸收无功功率的大小，这样就对负载实现了跟踪补偿。依据电流输出的控制方式，动态无功补偿器的控制方法可分两种：间接电流控制法和直接电流控制法。
2.1 静止同步补偿器的基本结构
本次课题研究的静止同步补偿器（STA TCOM ），它是采用电压型桥式电路构成主电路。其中主电路的核心电压逆变器。该装置主要采用PWM 触发方式来进行控制。因为这种触发方式可以有效地抑制谐波，使逆变电路的可靠性得到显著提高，所以该触发方式被广泛的应用于电力系统中。该装置共用一个三角载波u ，相与相之间的调制信号都是相差120°。
静止同步补偿器（STA TCOM ）模块的结构设计：变压器与两个电压变流器并联得到主电路。其中变压器高压侧线电压是500kV ，低压侧相电压是1250V 。下图2就是STATCOM 的模块结构图：
图2 STATCOM模块结构图
第3章 静止同步补偿器的建模
3.1 静止同步补偿器的数学模型
我们根据输入、输出的建模方法建立STATCOM 的数学模型。在模型中，我们只考虑
STA TCOM 输出电压的基波分量，不考虑它的谐波分量。其中abc 三相的电路参数是基本对称的，该系统为三相基波正序系统，而逆变器的输出电压为三相正序电压。从而根据三相等效电路可以得出以下式子：
（1）
由上式（1）可以看出，STATCOM 的动态模型主要由两个控制量和三个主要参数组成。其中主要参数为：等效电抗，用L 表示；等效电阻，用Rs 表示；直流侧电容，用C 表示；控制量，分别用Sd 和Sq 表示。只要改变控制量Sd 和Sq ，我们就可以调节STA TCOM 产生电压的大小，从而达到控制无功功率大小的目的。
3.2 静止同步补偿器的作用
静止同步补偿器（STA TCOM ）是一种并联型无功补偿的装置，它可以发出或吸收无功
功率并与系统进行无功功率交换的一种技术。与传统的无功补偿装置相比，STATCOM 具有很多优点，特别是动态无功补偿，它对提高输电稳定性是一种有效的措施。与传统的无功补偿装置SVC 比较，STA TCOM 的优点主要表现在以下几个方面：
（1）调节速度快，即响应时间短。传统的无功补偿装置SVC 的响应时间为20ms-40ms ,
而STA TCOM 的响应时间不到1ms .
（2）谐波小, 滤除高次谐波的能力强。传统的无功补偿装置SVC 是一个很大的谐波源，对系统的影响较大，而STATCOM 自身产生的谐波含量小，还可以削弱其他负载产生的谐波。
（3）损耗低，节省电能。传统的无功补偿装置SVC 中产生的功率损耗比相同容量的
STA TCOM 产生的功率损耗高2%左右。
（4）运行范围宽。当系统电压下降时，传统的无功补偿装置SVC 发出的无功功率下降
速度远远高于STATCOM 发出的无功功率下降速度，这就表示STATCOM 比SVC 有着更加宽广的运行范围。
（5）可靠性高。传统的无功补偿装置SVC 遇到故障时不能迅速的做出反应，采取保护
措施，而STATCOM 在遇到故障时会立即做出反应，采取一定的保护措施，来维持系统的稳定。所以STATCOM 的可靠性更高。
（6）能够提供有功功率。传统的无功补偿装置SVC 只能提供无功功率，而STATCOM
不仅可以提供无功功率，而且在一定范围内还可以提供无功功率。
（7）噪声低、占地面积小等优点。
3.3 500kV 配电系统的设计
下图 3 中 的 三 相 电 源 经“500kV ，100MV A ”、 B1、18km 、 B2、 2km 、 B3 传 输 ， 母 线 B3 后 接 一 个“500kV/600V” 的降压变压器，带一个1MW 的固定负载和一个可变的负载；STATCOM 的容量为±3MVar ，当我们需要投入运 行的时候，就可以将其安装在母线B3前。B1、B2、B3模块均为“Three- phase V- I Measurements” 模块，可以测量电路中的三相电压和三相电流。
图3 STATCOM 在500kV 配电系统中投入运行的电路图
第4章 静止同步补偿器的仿真研究
4.1 仿真软件MATLAB/SIMULINK简介
4.1.1 仿真软件MA TLAB/SIMULINK的概括
在当今世界上，MATLAB 是最优秀、最好用的数学软件之一，它是由美国MathWorks 公
司研发出来的产品。其中矩阵是MA TLAB 的基本数据单位，数组是它的基本数据单元。最早的MATLAB 虽然功能简单，但是十分受广大人民喜爱。随着MATLAB 的不断开发和完善，其功能越来越强大，还增加了图像处理功能，深受广大群众的喜爱，让人们更加的方便使用，得出的结果更加直观并且容易理解。下图4.1.1-1就是MA TLAB 的首页界面：
图4.1.1-1 MATLAB 首页界面
Simulink 是为MATLAB 提供动态系统建模和仿真的一个软件包，是MA TLAB 中非常重要
的组件之一，它能准确地分析和控制系统的复杂模型。Simulink 挂接在MA TLAB 环境上，利用直观的模块框图进行仿真和计算。它具有两个十分显著的功能：仿真和链接。也就是说它可以直接利用鼠标在窗口中手动画出自己所需要的系统控制模型，然后再利用MA TLAB 自带的功能来对该控制系统进行仿真模拟。这项创新的技术使得原本十分复杂难懂的系统变得更加通俗易懂，操作起来更加简单方便。下图4.1.1-2就是Simulink 的应用界面：
图4.1.1-2 Simulink应用界面
Simulink 模块库可分为两大类：标准模块库和专业模块库。Simulink 具有丰富的可扩充
的自定义模块库，可以用设计功能的层次来分割模型，以便用以实现复杂设计的管理。
4.1.2仿真软件MATLAB/SIMULINK的主要功能
MATLAB 是一种精确度十分高的科学计算语言，它将计算、编程和可视化最大程度的
结合在一个易于使用的环境中。在这种环境中，可以让使用者用自己熟悉的数学符号来表达自己所提出的问题和解决方法。它的经典使用案例包括：建模和仿真，数学和计算，应用程序开发，运算法则等。MATLAB 可以实现算法、创建用户界面、矩阵运算、绘制函数和数据、连接其他编程语言的程序等各种功能，其应用的领域主要表现在：信号处理与通讯、工程计算、控制设计、金融建模设计与分析、信号检测、图像处理。
MATLAB 常用的计算方法有三种：算术运算、关系运算和逻辑运算。
（一）算术运算：它的表达式常是由数字或字母用运算符号组成的，包括+（加），—
（减），*（乘），^(乘方），.*（数组乘），.^（数组乘方），kron （张量积），/（斜杠或右除），\（反斜杠或左除），.\或./（数组除）。算术运算符号见下表4.1.2-1。
表4.1.2-1 算术运算符号
（二）关系运算：它是指两个元素之间的比较，结果只为1（真）或0（假）。 关系
运算符见下表表4.1.2-2。
表4.1.2-2 关系运算符
（三）逻辑运算：它的值只有1（真）和0（假）两个值。它的基本运算量有或（1），非（~）和与（&）。逻辑运算符见下表4.1.2-3。
表4.1.2-3 逻辑运算符
4.2 静止同步补偿器的仿真
4.2.1 静止同步补偿器仿真的主接线
我们通过对STATCOM 进行原理分析，再利用Simulink 中Power System Blockset模块，对其进行电力系统的建模仿真。图4-1即为STATCOM 系统仿真图。
图4-1 STATCOM 系统仿真图
这个STATCOM 装置采用电流间接控制方法，它的工作原理是根据负荷无功功率的大
小来对补偿角 进行调整，来实现对负载的无功功率进行完全补偿，以达到间接控制STA TCOM 输出电流的目的，从而使功率因数达到1. 设定系统的线电压有效值为380V ，系
统频率为50Hz ，各负载等效阻抗为r =10Ω，L =0.02H 。其中控制开关、电压源变流器和三相脉冲发生器这三种电路元件组成了STA TCOM 的主电路。下图4-2为无功检测仿真模块图
:
图4-2 无功检测仿真模块图
4.2.2 仿真波形及结果分析
图4-3 STATCOM 投入运行后系统功率因数变化曲线
由上图4-3可以看出，当STA TCOM 投入运行后，系统功率因数趋于稳定，保持在最大
值1左右，所以可以得出结论：由于STATCOM 的投入，使系统的功率因数得到了显著提高，并且使功率因数维持在最大值1左右，这样就使系统更加稳定。
图4-4 补偿前后电压电流相位对比
上图4-4中，紫色表示电压波形，黄色表示电流波形。由图可知：在补偿前，电流滞后
电压 角，经过补偿后，两者的相位完全相同，即实现了补偿效果。使系统得到了稳定。
下图4-5所示的是STA TCOM 投入运行后交流侧的A 相电压和A 相电流波形图：
a ）投入STA TCOM A 相电压波形
b ) 投入STATCOM A 相电流波形
图4-5 交流侧A 相电压与A 相电流波形图
由上图4-5可以看出，当投入STATCOM 之后，经过短暂的震荡，STATCOM 为了提供系统无功功率的补偿，就开始吸收稳定的容性电流，以达到无功补偿的目的。
下图4-6为补偿前后系统A 相电流波形比较
a ） 补偿前系统A 相电流波形
b ） 补偿后系统A 相电流波形
图 4-6 补偿前后系统A 相电流波形比较
第5章 结论与展望
5.1 结论
经过几个月的努力以及在网上和图书馆查询有关静止同步补偿器（STA TCOM ）的资料，终于完成了本课题的研究。本课题研究了静止同步补偿器（STATCOM ）在MATLAB 中的仿真。并且分析了了STA TCOM 的工作原理、基本结构和它的作用，对500kV 配电系统进行了设计与仿真。建立了STATCOM 的数学模型，通过仿真来检测它的实际效果。通过这几个月的设计与研究，我学到了很多有关静止同步补偿器的知识，这次的论文设计让我受益匪浅，使我认识到：无论做什么事情，都要认认真真，脚踏实地，一步一个脚印，不要妄想一步登天。还有需要勤奋和严谨的态度对待每一件事情。
5.1 展望
当今世界上，虽然对于STATCOM 技术的研究仍然具有一定的难度，但是STATCOM 技术还是具有十分显著的优势，所以从长远的角度来看，STATCOM 装置还是具有很大的发展空间。但是由于世界科技水平有限，STATCOM 装置还存在很多问题有待解决，所以还需改进：
1. 还需要从三相不平衡的特性出发，采用分相控制来补偿不对称负载。让STATCOM 装置得到进一步的完善。
2. 还需要对系统参数进行优化，做出更大容量的STATCOM 装置。让其能够得到更加广泛的应用，为电力行业做出贡献。
3. 还需要提高STA TCOM 的补偿速度和精度, 让其能够应用在更广泛的领域中, 能为我国电力行业带来更多的方便。
我相信，STA TCOM 技术必将有更美好的发展前景。
致 谢
本次学位论文的设计是在万老师细心指导下完成的。每次遇到问题都会向老师求助，老师总是不辞辛苦的细心为我讲解。万老师的专业知识非常渊博，治学态度也非常严谨，工作作风更是精益求精，他有着严以律己、宽以待人的崇高风范，平易近人的人格魅力对我影响很大。从课题的选取，到学位论文的撰写与修改，都倾注了万老师的大量心血。在老师的帮助下，我终于顺利的完成了本次学位论文的设计。
在本次论文的研究设计过程中，万老师不仅教给了我电力电子方面的专业知识，还教会了我做人做事的态度，让我受益匪浅，各方面得到了全面发展。师恩永恒，终生难忘。在此，谨向万老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意！
胡曙斌
2016年5月28日
参考文献
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外文资料原文
Simulation of static synchronous compensator based on MATLAB Power system reactive power consumption, mainly from two aspects, one is the transmission system itself absorb reactive power, on the other hand is the load reactive power consumed. Transmission equipment at the time of delivery of power to absorb some of the reactive power in the high-voltage transmission network in order to improve the stability of the line transmission capacity and the system in general will this part of the reactive power compensation, such as transmission lines and the series compensation Some important nodes in parallel compensation. Load-absorbing reactive power mainly refers to the inductive load and a large amount of reactive power consumed by nonlinear loads such as induction motors in industrial production and daily life frequently used fluorescent lamps, as well as various deflectors, industrial electric arc furnace, which some of the load capacity is very large, and when you start to work must absorb a large amount of reactive power, often cause voltage fluctuations.
Reactive power to run the power supply system and the load are very important, the power system network elements and load the required reactive power must be obtained from the network somewhere. Obviously, if you have the reactive power generators and transmission over long distances it is unreasonable, usually impossible. Reasonable approach should be the need to consume reactive power in place to generate reactive power to compensate for reactive power loss.
Role of reactive power compensation following main points:
(1) increase in power supply and load power factor, reducing the equipment capacity, reducing power losses.
(2) that is stable voltage terminal and grid, improve power quality. The right place to set dynamic reactive power compensation device in long distance transmission line may also improve the stability of the transmission system, improving transmission capacity.
(3) In some cases, a three-phase load imbalance, through the appropriate reactive power compensation can balance three-phase active and reactive loads.
Reactive Power Compensation shall include the compensation and the compensation of fundamental reactive power harmonic reactive power, reactive power compensation due to the above-mentioned important role, so for reactive power compensation research has practical significance very important.
FACTS (Flexible AC Transmission System) with the development of power electronics technology and its wide application in electric power system generated. Based on current FACTS technology and the most widely used in reactive power compensation of static var compensator (SVC).
SVC commonly used are the following forms: a fixed capacitance plus thyristor controlled reactor type (FC + TCR), thyristor switched capacitor type (TSC), saturable reactor type (SR) and mixed (TCR + TSC) o
FC + TCR compensator in parallel by the TCR and several groups from uncontrollable capacitor. By controlling the reactor in series TRIAC conduction angle, either to the transport system inductive reactive current, but also to the capacitive reactive current delivery system.
TSC compensator by a set of parallel capacitors, each capacitor is connected in series with the TRIAC. Here thyristor only functions as a switch to replace conventional capacitor configured mechanical switches. At run time, depending on the size of the required compensation current, the group decided to invest several capacitors.
SR compensator, the circuit from the saturation reactor and series capacitors having characteristics regulated, to maintain the connection bus voltage level (where the series capacitor is used to correct the saturable reactor voltage characteristic slope), the impact of load voltage fluctuation caused by having compensation. A filter circuit connected in parallel to absorb harmonics and power factor correction.
Power system reactive compensation devices, from the traditional way with a rotating machine, to the application of FACTS, after a century of development. Now the various advantages and disadvantages of reactive power compensation method detailed comparison:
(1) parallel capacitor Advantages: cheap, simple operation, easy installation and operation and maintenance. Disadvantages: It can only compensate inductive reactive, and can not be adjusted continuously, when the grid voltage drop compensation current capacitor is decreased, so that the amount of highly reactive compensation declined, the system voltage drop greater.
(2) synchronous condenser Advantages: In case of over-excitation or under different excitation can emit different sizes of capacitive or inductive reactive power, respectively. Cons: Because of its rotary motors, which are larger losses and noise, operation and maintenance of complex large-capacity, high technology, the corresponding slow, in many cases, has been unable to adapt to the rapid reactive power control requirements.
(3) saturable reactor advantage: Compared with the synchronous condenser, which has the advantage of static type, fast response. Cons: Because of its core demand magnetization to saturation, thus losses and noise are larger, there are some special problems of nonlinear circuits, it can not adjust to compensate for the phase unbalanced load.
(4) Static VAR compensation device advantages: with thyristor power electronic devices in place of conventional capacitors mechanical switch configured to unlock a new chapter in power electronics technology in power system applications, and its wide use and affordable. Disadvantages: in the regulation of reactive power is inevitably produce a large number of harmonic needs to be fixed inductor in series with the capacitor harmonic filter to filter out harmonics. But it also has the disadvantage of not regulating continuous and slow response speed,
it is the most fatal flaw is the SVC equipment is able to produce inductive reactive power, which still rely on a capacitor, which led SVC electrostatic capacitor has the same insurmountable obstacles, that is, when the voltage level is too low, urgent need of reactive power compensation, the compensation but will reduce output.
(5) static synchronous compensator Advantages: transient stability and oscillation damping system providing system and other aspects of the performance of STATCOM much better than traditional synchronous condenser. It controls a wide range of flexible adjustment, which can be adjusted in quick succession in the inductive and capacitive operation work, STA TCOM device using DC capacitors instead of AC capacitors, not only can adjust the system reactive power, active power can also adjust the system. While STA TCOM devices reduced volume, reduced losses. It connects small reactance connected reactance STATCOM connected to the grid, and its role is to filter out the higher harmonic currents that exist, and also play a role in the converter and the grid AC voltage source connected to the two together, so far less than the amount required for the same inductance compensation capacity of SVC. System voltage instantaneous compensation, even if the system voltage is reduced, it can still maintain maximum reactive current. A small amount of harmonics. SVC itself produce a certain amount of harmonics in STATCOM, you can use multiple technology completely bridge AC circuits, multi-level technology to eliminate low frequency harmonics. SVC reactance means is a type of access after the power system may change the impedance characteristics of the original power system, which lead to resonance. The STA TCOM device is a voltage source inverter means no resonance. Terminal voltage of STA TCOM, operating conditions and structural changes in the external system is not sensitive, the output voltage stable system. Disadvantages: initial investment and operating costs are high, high technical requirements, control more complicated, too much capacity and system complexity of problems caused more.
外文资料译文
基于MATLAB 的静止同步补偿器仿真
电力系统中的无功消耗主要来自两个方面，一是输电系统自身吸收的无功，另一方面是负荷消耗的无功。输电设备在输送电能时要吸收一定的无功功率，在高压输电网络中，为了提高线路的输送容量和系统的稳定性一般会对这部分无功进行补偿，如对输电线路进行串联补偿以及在一些重要的节点进行并联补偿等。负荷吸收的无功功率主要是指感性负载和大量的非线性负荷消耗的无功，如工业生产和日常生活中经常使用的异步电机、日光灯，以及各种变流装置、工业电弧炉等，这些负载当中有些容量非常大，在启动和正常工作时都要吸收大量的无功功率，常常会引起电网电压的波动。
无功功率对供电系统和负载的运行都十分重要，电力系统中的网络元件和负载所需要的无功功率必须从网络中某个地方获得。显然，这些无功功率如果都要发电机提供并经过长距离传送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法应当是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率来补偿无功功率的损耗。
无功补偿的作用主要有以下几点：
(1)提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗。
(2)稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的地点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。
(3)在一些三相负载不平衡的情况下，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功功率及无功负荷。
无功补偿应包含对基波无功功率的补偿和对谐波无功功率的补偿，由于无功补偿具有上述重要的作用，因此对于无功补偿技术进行研究具有相当重要的实际意义。
柔性交流输电系统(Flexible AC Transmission System)是随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的广泛应用而产生的。目前基于FACTS 技术且应用于无功补偿最为广泛的是静止无功补偿器(SVC)。
SVC 常用的有以下几种形式:固定电容加晶闸管控制电抗器型(FC+TCR)、晶闸管开关电容器型(TSC)、饱和电抗器型(SR)以及混合型(TCR + TSC) o
FC+TCR型补偿器由TCR 和若干组不可控电容器并联而成。通过控制与电抗器串联的
双向晶闸管的导通角，既可以向系统输送感性无功电流，又可以向系统输送容性无功电流。
TSC 型补偿器由一组并联的电容器组成，每一台电容器都与双向晶闸管串联。这里的晶闸管仅起开关的作用，以替代常规电容器所配置的机械式开关。在运行时，根据所需补偿电流的大小，决定投入电容的组数。
SR 型补偿器中，由饱和电抗器和串联电容器组成的回路具有稳压的特性，能维持连接母线的电压水平(其中的串联电容器是用来校正饱和电抗器伏安特性的斜率) ，对冲击性负荷引起的电压波动具有补偿作用。与其并联的滤波电路能吸收谐波并校正功率因数。
电力系统中的无功补偿装置，从传统的带旋转机械方式，到FACTS 的应用，经历了一个世纪的发展。现将各种无功补偿方法的优缺点进行详细的对比：
（1）并联电容器 优点：价格便宜，运行简单，安装运行和维护都很方便。缺点：它只能补偿感性无功，且不能连续调节，当电网电压下降时，电容器上的补偿电流相应下降，使得补偿的无功量极具下降，系统电压下降更大。
（2）同步调相机 优点：在过励磁或欠励磁的不同情况下可分别发出不同大小的容性或感性无功功率。缺点：由于其为旋转电机，因而损耗和噪声都较大，运行维护复杂大容量技术高，相应速度慢，在很多情况下，已无法适应快速无功功率控制要求。
（3）饱和电抗器 优点：与同步调相机相比，它具有静止型的优点，响应速度快。缺点：由于其铁芯需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声都较大，存在一些非线性电路的特殊问题，又不能分相调节以补偿负荷的不平衡。
（4）静止无功补偿装置 优点：用电力电子器件中的晶闸管替代常规电容器所配置的机械式开关，解开了电力电子技术在电力系统中应用的新篇章，而且它应用广泛，价格适中。缺点：在调节无功功率是不可避免的会产生大量谐波需要将固定电容器电感串联构成谐波滤波器来滤除谐波。而且它还具有调节不连续和响应速度慢的缺点，它最致命的缺点是SVC 设备之所以能产生感性无功，依靠的仍然是其中的电容器，这就导致SVC 与静电电容器一样有着不可逾越的障碍，即当电压水平过于低下，急需无功补偿时，补偿器的输出反而会减少。
(5) 静止同步补偿器 优点:在提供系统的暂态稳定性和阻尼系统振荡等方面，STATCOM 的性能大大优于传统的同步调相机。它控制灵活调节范围广，其在感性和容性运行工作情况下均可连续快速调节，STATCOM 装置采用直流电容器代替交流电容器，不仅可调节系统的无功功率，还可调节系统的有功功率。同时使STATCOM 装置的体积减小，损耗降低。它连接电抗小，STATCOM 接入电网的连接电抗，其作用是滤除电流中存在的较高次谐波，另外还起到将变流器和电网这两个交流电压源连接起来的作用，因此所需的电感量远小于补偿容量相同的SVC 。对系统电压进行瞬时补偿，即使系统电压降低，其仍可维持最大无功电流。谐波量小。SVC 本身产生一定量的谐波，而在STATCOM 中，则完全可采用桥式交流电路的多重化技术、多电平技术，以消除次数较低的谐波。SVC 装置是电抗型的，接入电力系统之后有可能改变原电力系统的阻抗特性，而导致出现谐振。而STATCOM 装置为电压源逆变装置，不会产生谐振。STATCOM 的端电压，对外部系统的运行条件和结构变化不敏感，即输出稳定的系统电压。缺点：初始投资和运行费用都比较高，技术要求高，控制起来比较复杂，容量太大及由此引发的系统复杂问题较多。